采前壳聚糖处理结合磁场冷藏对采后李果实果肉褐变的调控作用

张婷婷,郝义,纪淑娟,郝邢维,邢英丽,李珊珊,周倩*

1(沈阳农业大学 食品学院,辽宁 沈阳,110161)2(辽宁省果树科学研究所,辽宁 营口,115009)

李果实为蔷薇科(Rosaceae)李属(Prunus)植物,在我国有着悠久的种植历史[1]。大红袍李果是辽宁省营口市大石桥的特色品种,因其果实个头大,外表皮呈紫红色而被称做“大红袍”,果实表面光滑、色泽鲜红、果肉淡黄、皮薄多汁、酸甜可口,富含维生素、有机酸和矿物质等多种营养成分[2],故而在市场上很受消费者喜爱。李果实属于呼吸跃变型果实[3],因其采收期正值盛夏高温多雨季节,同时果实果皮较薄、汁水充盈,导致其采后货架期易发生后熟软化、腐烂率极高;在低温贮藏中李果实易遭受冷害出现果肉褐变、品质劣变等现象。因此,亟需探究一种低成本、便捷高效的贮藏保鲜技术有效延缓李果实采后品质下降、抑制果实冷害褐变、提高李果实贮藏性。

壳聚糖是甲壳素脱乙酰基产生的高分子多糖类物质[4],其作为涂膜材料具有安全无毒、环保、成膜性好、易溶解、杀菌能力强等特点[5],被广泛应用于食品和果蔬保鲜。已有研究表明,壳聚糖采后涂膜可有效维持梨、芒果、蜜桃、鲜切菠萝、草莓等果实硬度、延长果实的贮藏时间[5-9]。果实采前喷施壳聚糖也有相关研究,采前喷施壳聚糖对杧果、火龙果、甜瓜、猕猴桃、葡萄、杏等果实的抗氧化能力有所提高、减少自由基等有害物质的积累、延缓果实衰老、延长货架期[10-15]。磁场保鲜技术是近几年发现新型保鲜技术,通过外界磁场的改变从而影响生物体内新陈代谢[16]。磁场具有操作简单、成本低、不污染环境、无毒无害等优点[17]。有研究表面磁场通过磁孔效应和电磁效应发挥杀菌能力,在不影响食品风味、口感和质地的前提下,杀灭有害微生物[18]。磁场在果蔬保鲜方面也应用广泛,已经在樱桃番茄、草莓、莲藕、葡萄、河套蜜瓜等果蔬中有较好的保鲜效果[19-23]。目前很多研究主要集中在李果实采后贮藏保鲜研究,关于采前喷施壳聚糖结合采后磁场处理李果实研究鲜有报道。因此本研究以大红袍李为试材,通过采前壳聚糖与采后磁场冷藏相结合,探究不同处理方式对李果实贮藏期间品质及抗氧化能力的影响,为采前壳聚糖结合磁场冷藏在李果实保鲜贮藏中应用提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

试验园设在辽宁省大石桥市周家镇周家村大红袍李果园,树龄9年生,果树长势基本相同,株行距3 m×4 m,土壤为黄壤土,地力基本一致,试验区面积为0.47 hm2,李果经过采前喷施处理后30 d在同一时间进行采摘。试验贮藏磁场冷库使用辽宁省果树科学研究所的磁场冷库,温度设定为(0±0.5) ℃,相对湿度为85%～90%,库容积均为32 m3。壳聚糖,大连双鑫科技发展有限公司。

1.2 仪器与设备

KH22R小型台式高速冷冻离心机,湖南凯达科学仪器有限公司;756紫外可见分光光度计,上海舜宇恒平科学仪器有限公司;DDS-307A型台式电导仪,上海雷磁仪器有限公司;CR-100色差仪,日本Konica Minolta公司;GY-4数显水果硬度计,艾普计量仪器有限公司;手持式糖酸一体机折射仪,日本ATAGO公司;SHE-3000酶标仪,北京赛尔福知心科技有限公司;精密电子天平,北京创立达盛科技发展有限公司。

1.3 实验方法

1.3.1 材料处理

大量研究表明壳聚糖涂膜保鲜最佳质量浓度为10～20 g/L[5-9],本试验壳聚糖质量浓度选择10、15、20 g/L;电磁场是由交变电流产生的电场环境,电磁场强度设置强弱2个强度,强电磁场电压为700 mV、弱电磁场为300 mV。

选取长势基本相同的果树,在李果实采前30 d,选择天气晴朗的上午10点前,对其李树叶面及果实进行喷布,分别给李树喷洒10、15、20 g/L的壳聚糖,每个浓度处理6株,对照组为清水喷施。

采摘大小一致、无病虫害、无损伤的李子,采摘时对不同浓度壳聚糖处理的李果做好标记,采摘后的李果摆放入塑料箱中,并尽快运回冷库。挑出大小和色泽一致的李子放到保鲜膜中,预冷24 h后扎口,分别置于库温为(0±0.5) ℃的强、弱磁场冷库中进行贮藏,如表1所示,李果实分成7组,每隔7 d随机取样,测定果实的相关指标,通过品质变化和生理指标的变化进行对比分析。

表1 不同浓度壳聚糖结合不同磁场处理李果实Table 1 Different concentrations of chitosan combined with different magnetic fields treated plum fruit

1.3.2 果实硬度的测定

用GY-4数显水果硬度计进行测定。

1.3.3 果皮亮度的测定

采用CR-100色差仪进行测定。

1.3.4 失重率的测定

采用称量法。测定果实贮藏前及贮藏期间的质量,每个处理取3个果实。

1.3.5 可溶性固形物(total soluble solids,TSS)、可滴定酸(titratable acid,TA)的测定

采用手持式糖酸一体机折射仪进行测定。

1.3.6 抗坏血酸含量的测定

参照曹建康等[24]方法进行测定,采用2,6-二氯酚靛酚滴定法。

1.3.7 相对电导率的测定

用DDS-307A型台式电导仪进行测定。

1.3.8 丙二醛(malondialdehyde,MDA)含量测定

参照曹建康等[24]方法进行测定。

1.3.9 总酚、类黄酮含量测定

参照曹建康等[24]方法进行测定。

1.3.10 抗氧化酶活性测定

多酚氧化酶(polyphenol oxidase,PPO)、过氧化酶(peroxidase,POD)、超氧化物歧化酶(superoxide dismutase,SOD)、过氧化氢酶(catalase,CAT)、抗坏血酸过氧化物酶(ascorbate peroxidase,APX)参照曹建康等[24]方法进行测定。

1.4 数据处理

所有数据统计分析使用Excel 2010软件处理;利用SPSS 25.0软件邓肯假定等方差分析各处理组结果数据的显著性差异,显著水平为0.05;绘图采用Origin 2018软件进行图表制作;采用SIMCA软件进行主成分分析。

2 结果与分析

2.1 采前不同浓度壳聚糖结合不同磁场处理对李果实品质指标的影响

硬度是衡量果实贮藏品质重要指标之一。由图1-A可知,在贮藏前期,各处理组及对照组果实硬度均有上升趋势,这是由于果实细胞壁沉积大量果胶物质,使得果实硬度增加,在21 d时达到峰值,其中T5处理组硬度增加了40%,显著高于对照组(P<0.05)。随着贮藏时间延长,果实进入后熟阶段,果胶物质被分解,果实逐渐变软,在贮藏第42天,T5处理组硬度降低了16%,而对照组降低33%,T5处理效果最佳。

色差L*反映果皮明亮度。李果实随着贮藏时间的延长,果皮会逐渐变暗。如图1-B所示,在贮藏过程中,各处理组亮度值均呈现下降的趋势,其中对照组亮度值下降趋势最快,在贮藏第42天,对照组亮度值下降8.11%;处理组下降趋势相对较缓,尤其T5处理组亮度值较高,在贮藏42 d时仅下降5.46%,T5处理组始终显著高于对照组(P<0.05)。

失重率是衡量果实品质的指标,随着果实中的水分蒸发和呼吸消耗,失重率会逐渐增加[7]。由图1-C可知,果实在贮藏期间失重率呈直线上升趋势,在贮藏42 d时,CK、T1、T2、T3、T4、T5、T6失重率分别为0.58%、0.53%、0.54%、0.45%、0.43%、0.37%、0.42%,T5处理组失重率显著低于对照组及其他处理组(P<0.05),处理效果较好。

TSS可以衡量果实中糖等营养物质的含量。随着果实在贮藏期间的呼吸代谢,果实中TSS含量逐渐减少。由图1-D可知,在整个贮藏过程中,各处理组TSS含量始终高于对照组,并且对照组的TSS含量下降明显,与其他处理组相比降低20.3%。在贮藏期间,T5处理组TSS含量始终保持较高水平,下降趋势较缓,处理效果较好。

TA是反映果实风味品质的重要指标。由图1-E可知,在贮藏期间,果实中TA含量逐渐降低,各处理组TA含量显著高于对照组,T5处理组一直保持较高水平。在贮藏42 d时,T5处理组TA含量下降6.93%,对照组下降32.53%,T5处理组显著高于对照组(P<0.05)。

综上结果可知,采前15 g/L壳聚糖质量浓度结合弱磁场处理有效维持采后贮藏过程中李果实品质。

A-果实硬度;B-色差L*;C-失重率;D-TSS;E-TA图1 采前壳聚糖结合磁场处理对李果实硬度,色差L*、失重率、TSS、TA的影响Fig.1 Effects of pre-harvest chitosan combined with magnetic field treatment on plum fruit hardness, color difference L*, weight loss rate,TSS,TA注:不同小写字母表示每个指标在同一时间点不同处理之间差异显著(P<0.05)(下同)。

2.2 采前壳聚糖结合磁场处理对李果实营养品质的影响

2.2.1 采前壳聚糖结合磁场处理对李果实果肉的影响

图2是冷藏0 d及42 d李果实果肉褐变情况。如图2所示,在贮藏42 d时,李果实果肉颜色加深,对照组果肉出现大面积褐变,褐变情况严重;而处理组只是出现局部褐变。表明采前15 g/L壳聚糖结合弱磁场处理可有效延缓果肉褐变。

图2 采前壳聚糖结合磁场处理对李果实果肉的影响Fig.2 Effect of pre-harvest chitosan combined with magnetic field treatment on pulp of plum fruit

2.2.2 采前壳聚糖结合磁场处理对李果实抗坏血酸含量的影响

由图3可知,果实在贮藏过程中抗坏血酸含量逐渐下降。在贮藏0 d时,处理组抗坏血酸含量较对照组高。在整个贮藏期,壳聚糖结合磁场处理组果实抗坏血酸含量显著高于对照组(P<0.05)。在贮藏后期时,对照组及处理组抗坏血酸含量为1.82、4.45 mg/100 g,T5处理组可有效保持果实中抗坏血酸含量。

2.2.3 采前壳聚糖结合磁场处理对李果实总酚和类黄酮含量的影响

由图4可知,在贮藏前期,果实中总酚和类黄酮含量缓慢上升,对照组总酚和类黄酮含量显著高于处理组(P<0.05),这是由于对照组果实先进入后熟阶段。在贮藏21 d时,对照组及处理组的总酚含量上升2.761%、0.750%,类黄酮含量分别增加28.603%、13.516%,均达到峰值。从贮藏21 d起,果实中总酚、类黄酮含量逐渐降低,并且处理组总酚、类黄酮含量显著高于对照组(P<0.05),这时处理组果实才出现后熟。在整个贮藏过程中,处理组果实中总酚、类黄酮含量较稳定,说明采前15 g/L壳聚糖结合弱磁场处理可有效维持果实中总酚、类黄酮含量,延缓果实后熟,处理效果较好。

图3 采前壳聚糖结合磁场处理对李果实抗坏 血酸含量的影响Fig.3 Effect of pre-harvest chitosan combined with magnetic field treatment on ascorbic acid content of plum fruit

A-总酚;B-类黄酮图4 采前壳聚糖结合磁场处理对李果实总酚和 类黄酮含量的影响Fig.4 Effects of pre-harvest chitosan combined with magnetic field treatment on contents of total phenols and flavonoids in plum fruit

2.2.4 采前壳聚糖结合磁场处理对李果实相对电导率和MDA含量的影响

如图5-A所示,在贮藏期间,李果实在相对电导率呈逐渐升高,并且对照组相对电导率始终显著高于处理组(P<0.05),对照组果肉细胞膜透性增加较快,这是由于果实衰老使细胞膜受损伤程度增加。在贮藏第42天,对照组和处理组相对电导率值分别增加78.72%、53.13%,处理组有效延缓果实细胞膜透性增加。

如图5-B所示,李果实在贮藏过程中MDA含量会升高。在贮藏期间,李果实处理组MDA含量始终显著低于对照组(P<0.05)。在贮藏第35天,对照组、处理组MDA含量为3.056、2.469 μmol/g,对照组增加较快,其膜脂过氧化程度较高。处理组一直保持较低水平,说明采前15 g/L壳聚糖结合弱磁场处理能有效抑制细胞膜损伤,维持正常代谢过程。

A-相对电导率;B-丙二醛图5 采前壳聚糖结合磁场处理对李果实相对电导率和 丙二醛含量的影响Fig.5 Effects of pre-harvest chitosan combined with magnetic field treatment on relative electrical conductivity and MDA content of plum fruit

2.3 采前壳聚糖结合磁场处理对李果实抗氧化酶活性的影响

2.3.1 采前壳聚糖结合磁场处理对李果实PPO和POD活性的影响

如图6-A所示,在贮藏期间,果实中PPO活性呈先上升后下降的趋势。李果实在贮藏21 d时对照组PPO活性达到峰值,为0.624 U/g FW,可能是李果实采后贮藏于低温环境产生生理反应导致其酶活变高。处理组推迟7 d出现PPO活性峰值,并且处理组的PPO活性始终保持较低水平,说明处理组能有效抑制果肉褐变。

如图6-B所示,李果实在贮藏期间POD活性呈现先上升后下降的趋势。在贮藏21 d内,李果的POD活性缓慢升高,在21 d时达到峰值,对照组、处理组峰值分别为0.020、0.032 U/g FW,对照组POD活性显著低于处理组(P<0.05)。在贮藏后期,果实POD活性迅速下降,处理组一直保持较高水平,表明采前15 g/L壳聚糖结合弱磁场能有效延缓POD活性降低。

A-多酚氧化酶;B-过氧化物酶图6 采前壳聚糖结合磁场处理对李果实多酚氧化酶和 过氧化物酶活性的影响Fig.6 Effects of pre-harvest chitosan combined with magnetic field treatment on PPO and POD activities of plum fruit

2.3.2 采前壳聚糖结合磁场处理对李果实CAT、SOD和APX活性的影响

如图7-A所示,李果实在贮藏前期,对照组和处理组的CAT活性均逐渐上升,对照组在14 d时CAT活性为19.73 U/g FW达到峰值;而处理组推迟7 d出现峰值,其活性为29.33 U/g FW。贮藏后期果实中CAT活性快速下降,这是由于果实衰老导致CAT活性降低,在贮藏第42天,对照组、处理组的CAT活性分别为8.89、16.89 U/g FW。在贮藏过程中,处理组始终显著高于对照组(P<0.05),表明处理组有效延缓果实CAT活性降低,抑制果肉褐变。

如图7-B所示,果实在贮藏期间SOD活性呈先升后降的趋势。在贮藏21 d时,对照组、处理组的SOD活性达到峰值,分别为2.45、2.63 U/g FW,处理有效提高果实抗氧化性。贮藏后期,SOD活性快速降低,并且处理组SOD活性始终保持较高水平,表明采前15 g/L壳聚糖结合弱磁场能有效提高SOD活性。

如图7-C所示,在贮藏期间,对照组果实APX活性呈整体下降的趋势,处理组在7 d时出现高峰,值为34.67 U/g FW。处理组APX活性在整个贮藏期间均显著高于对照组(P<0.05),说明采前15 g/L壳聚糖结合弱磁场能有效减缓APX活性的降低,提高果实抗氧化能力。

A-过氧化氢酶;B-超氧化物歧化酶;C-抗坏血酸过氧化物酶图7 采前壳聚糖结合磁场处理对李果实过氧化氢酶、超氧化物歧化酶和抗坏血酸过氧化物酶活性的影响Fig.7 Effects of pre-harvest chitosan combined with magnetic field treatment on CAT, SOD, and APX activities of plum fruit

2.4 采前壳聚糖结合磁场处理对李果实贮藏期间品质及抗氧化相关指标的主成分分析

主成分分析(principal component analysis,PCA)是一种统计分析方法,可以考察多个变量之间的相关性[25]。根据图8中PCA得分表可知,对照组几乎完全分布在横坐标的负半轴及纵坐标正半轴部分,处理组则集中在横坐标正半轴及纵坐标负半轴部分,得出对照与处理效果显著差异。由载荷图可以看出抗氧化酶和硬度相关性强,MDA和相对电导率相关性强,抗坏血酸、亮度和风味相关性较强。李果实处理后风味、硬度、抗氧化能力等得到了显著提高,MDA积累显著降低。

为直观看出李果实不同处理间的差异较大的指标,利用正交偏最小二乘判别分析(orthogonal partial least squares discriminant analysis,OPLS-DA)模型中的PCA-plot图和投影中的可变重要性(variable importance in projection,VIP)值对本试验测定的15个指标进行统计分析,通过模型拟合后得到图9。由图9-B可知,VIP值大于1的指标为对照组和处理组的主要差异指标,即本试验测得TA、TSS、CAT、硬度、POD、L*、相对电导率和APX。表现果实品质的主要差异指标是TA、TSS、硬度、L*,表示衰老褐变的主要指标为CAT、POD、相对电导率、APX。由图9-A可看出主要差异指标分布在SUS-plot图的两端,Y轴正半轴与负半轴的指标呈现一定的负相关。例如POD活性的上升,PPO活性下降。

A-PCA得分图;B-载荷图图8 (PCA-X)不同处理李果实的PCA得分图与载荷图Fig.8 (PCA-X)Effect of different treatment on principal component analysis score scatter plotand loading plotof plum fruits

A-PCA-plot;B-变量投影重要度VIP值图9 不同处理李果实的PCA-plot与变量投影重要度VIP值Fig.9 Effect of different treatment on PCA-plot and VIP graph of plum fruits

3 讨论与结论

涂膜保鲜是指人为地在果实表面形成一层透气膜,可以调节果实的呼吸作用、蒸腾作用,缓解果实中水分流失、营养消耗,有效阻挡外界微生物对果实侵染,因此更好维持果实品质、食用价值,延长其货架期[8]。果实采前处理可有效促进果树生长、增加果实产量、降低果实发病率、提高采后品质。壳聚糖作为一种可食用、安全无毒保鲜剂,已经在果蔬保鲜方面取得进展。张承等[13]发现猕猴桃在采前喷施壳聚糖可显著降低软腐病的发病率,提高猕猴桃贮藏性能。磁场影响生物体内部生理生化反应,通过杀菌、减少细胞膜通透性、抑制生物酶活性等方式延缓果实衰老、腐败[26]。GUO等[18]发现脉冲磁场杀菌已被认为是一种有效的微生物灭菌技术,在不影响食品风味、口感和质地的前提下高效灭菌。YANG等[27]研究发现交变磁场可有效减少创伤反应,抑制冷害作用,适当的磁感应强度可有效保持樱桃番茄品质。

随着贮藏时间的延长,大红袍李果实会出现表皮光泽逐渐暗淡、果肉组织变软、水分蒸发、果实风味变差、营养流失等现象。本试验将采前不同浓度壳聚糖处理结合不同磁场冷藏处理李果实,在贮藏期间测得相关指标得出:采前15 g/L壳聚糖结合弱磁场处理可有效保持果实硬度、果皮明亮值、TSS含量、TA含量,抑制失重率,可能是由于果实表面形成一层保护膜抑制果实呼吸作用、减少水分蒸发及营养物质消耗,有效维持果实品质,这与刘容等[28]、邹小波等[29]的研究结果相似;同时磁场杀菌性也辅助保鲜,有效保持果实品质、提高货架期。

适宜浓度壳聚糖涂膜处理所形成保护膜有透气性,可以调节果实呼吸作用,适当降低膜内O2浓度、提高CO2浓度,同时能有效阻挡外界微生物侵染,从而减缓果实营养消耗、抑制细胞壁降解酶活性、维持较好的果实硬度。当壳聚糖浓度过低,其形成保护膜较薄,不能有效阻断果实与空气的接触,果实易被外界微生物侵染,呼吸代谢加快,最后导致果实衰老,褐变现象严重;而较高浓度壳聚糖易形成较厚保护层,使其透气性变差,严重阻碍果实呼吸作用,果实营养物质消耗受阻,影响正常代谢,最后加快冷藏后果肉褐变的产生。大量研究证明电磁场对食品有很好的保鲜作用[30],果实内存在微磁场,外界磁场会影响果实内微磁场,适宜的外磁场强度能有效影响果实细胞膜作用机制,降低细胞衰老死亡进程[20],同时磁场对细菌、霉菌等微生物生长有抑制作用,从而达到贮藏保鲜作用。磁场并不是越大越好,也不是越小越好,过高或过低的磁场强度会对生物体产生负生物学效应,磁场的生物学效应是在磁场和生物体共同作用下产生的[31],所以不同生物体要不断摸索其适宜的磁场强度。

抗坏血酸指的是还原性维生素C,是生物体内最重要的营养物质之一,是植物体内抗氧化防御系统重要的物质,有效延缓果实衰老[10],但维生素C不稳定,容易与氧反应被降解[32]。采前15 g/L壳聚糖结合弱磁场有效延缓果实中维生素C含量的降低,可能是由于涂膜处理有效阻止外界氧接触组织,减少氧化反应的发生,保持果实中维生素C含量。

果实在贮藏过程中,细胞中活性氧的含量逐渐增加,加重膜脂过氧化,破坏细胞膜的完整性[33],丙二醛是膜脂过氧化的最终产物[10],相对电导率是衡量细胞膜透性的指标[34],反映果实采后贮藏过程中果皮细胞膜的破坏程度。果蔬采后发生褐变主要原因是酶促褐变,PPO是酶促褐变主要的酶,果蔬中多酚类化合物在有氧条件下,经过PPO的催化作用将酚类物质氧化成醌类[35],醌类聚合形成褐色物质从而导致组织褐变[36]。当组织中PPO活性增加,果实褐变严重,风味及营养品质就会下降。结合处理抑制果实PPO活性,可能是涂膜保护及磁场抑制冷害作用,有效抑制冷害褐变的发生,这与YANG等[27]报道磁场可以抑制果实冷害相似。自由基积累会加速酶促褐变的发生,而果实内部存在的抗氧化酶可以清除活性氧,包括POD、CAT、SOD、APX等酶,维持果实内部活性氧代谢平衡。刘亚平[14]在葡萄的研究中发现较高的POD活性说明POD清除过剩自由基,果实提高自身抵御系统,增强果实抗逆性。宁密密等[37]在研究葡萄褐变中发现POD、SOD活性均呈现先上升后下降趋势,在贮藏后期,由于组织细胞受到不可逆损伤,清除自由基能力下降,加快了膜脂过氧化进程,与本文相符。本研究发现,采前15 g/L壳聚糖结合弱磁场处理抑制PPO活性,提高了果实中POD、CAT、SOD、APX的活性,减少MDA积累,抑制相对电导率升高,因此处理减少自由基在果实中积累,增强果实抗逆性、抗氧化性,有效减少细胞膜受损程度,进而抑制李果实果肉褐变的发生。

果实褐变是果实衰退老化特征之一,造成果实褐变的因素是多方面的,包括冷害、气体伤害、成熟衰老、缺钙、机械伤害、采收期等。本研究中李果实果肉褐变主要是由于冷害产生的褐变,而衰老是相伴产生的褐变。李果实对低温较敏感,长时间低温贮藏会产生冷害现象。冷害是由于果实贮存温度较低而导致生理伤害[38],李果实冷害表现为果皮色泽变暗、果肉组织呈半透明絮状、失去风味、品质劣变,果实从核开始褐变逐渐扩散,冷害严重则失去食用价值。在贮藏后期,果实逐渐衰老也会产生相应的褐变,所以冷害褐变和衰老褐变是相伴产生,其中冷害褐变为主,衰老褐变为辅。

综上所述,本试验采前15 g/L壳聚糖结合弱磁场冷藏保鲜较好地保持抗坏血酸、总酚、类黄酮含量,减缓相对电导率及MDA增加,抑制PPO活性,提高抗氧化酶活性,有效减缓李果的采后冷藏过程中的褐变发生,延长贮藏时间,较好地保持果实贮藏期间的品质。